Maximales Licht für optoelektronische Bauelemente

Kolloidale Quantenpunkte (colloidal quantum dots, CQD) stehen im Mittelpunkt einer neuen und sich schnell entwickelnden Forschungsrichtung und versprechen Anwendungen für effiziente und kostengünstige Solarzellen. Sie werden als absorbierendes photovoltaisches Material eingesetzt und haben den Vorteil, dass man die Bandlücke durch Verändern der Nanopartikelgröße einfach einstellen kann. Dadurch können sie leicht unterschiedliche Teile des Sonnenspektrums absorbieren.

Jedoch ist die Dicke der CQD-Schicht begrenzt, um die Effizienz der Ladungsextraktion gleich hoch zu halten. Daher sind neuartige Lichtschleusensysteme erforderlich, um die Lichtabsorption und die Effizienz zu verbessern. Plasmonische Metallnanostrukturen haben das Potenzial, den Lichteinfang in den ultradünnen absorbierenden CQD-Schichten weiter zu verbessern.

Das EU-finanzierte Projekt PECQDPV ("Plasmonically enhanced colloidal quantum dot photodetectors and photovoltaics") untersuchte die optischen und elektrischen Auswirkungen durch die Einbettung der entwickelten photonischen Strukturen in einfache Fotodiodengeräte bestehend aus Bleisulfid (PbS)-CQD-Filmen.

Anhand von Photoleitertestvorrichtungen mit eingebetteten Arrays aus zufälligen, selbstorganisierenden Metallnanopartikeln, die das Licht stark streuen, wiesen die Wissenschaftler ein 2,4-fache Zunahme des Fotostroms bei Wellenlängen in der Größenordnung der Exzitonspitzen von PbS-Quantenpunkten mit einer bestimmten Größe nach.

Außerdem untersuchten sie die elektrischen Effekte der Einbettung anderer Metallnanostrukturen in diese Geräte. Je nach Metall führte der direkte Kontakt mit Nanopartikeln zu einer Unterdrückung oder Verstärkung des Fotostroms. Diese Ergebnisse waren wichtig für die Gestaltung von optoelektronischen Bauelementen mit Plasmonen-CQD.

Ein Fokus lag auch auf der Erforschung der physikalischen Mechanismen hinter der plasmonischen Verstärkung. Zu diesem Zweck führten die Wissenschaftler optische Vollfeldsimulationen durch und entwickelten einfache analytische Modelle. In Simulationen mit Ag-Nanopartikeln wurde die Winkelverteilung des Streulichts als relativ schmal bewertet, wodurch das Gesamtlichtfallenpotenzial reduziert wird. Experimentelle Studien haben gezeigt, dass die Modenstruktur des Halbleiter-Dünnfilms von grundlegender Bedeutung bei der Bestimmung des Lichteinfangs ist.

Um die Effizienz des Lichteinfangs über den Wert, der durch zufällige Strukturen erreicht werden kann, zu erhöhen, wurden periodisch angeordnete Nanostrukturen untersucht. Die Wissenschaftler entwickelten ein konzeptionelles Modell, um einfache Entwurfsprinzipien für einen optimalen Lichteinfang in dünnen Schichten mit 2D-Gitterkopplern zu formulieren. Die Gitterkoppler wurden in Fotodioden als Au-Rückkontakt integriert und erreichten eine Verbesserung des Fotostroms bis zum Faktor 3 für dünne Dioden und 1,5 für dicke Dioden, bezogen auf planare Referenzgeräte ähnlicher Dicke.

PECQDPV wollte die Absorption von CQD-Geräten durch Einbindung plasmonischer Nanostrukturen verbessern. Die Ergebnisse erweitern unsere Kenntnisse zu den Herausforderungen in Bezug auf die Auswahl von Plasmonenmaterial und -methoden, die den Lichteinfang eines CQD-Geräts mit bestimmter Geometrie verbessern.